Analysis and Projection of spatio-temporal Drought and Climate Change Impacts on Groundwater Resources and Surface-Groundwater Interactions for three Iranian Case Studies

Der Klimawandel und deren Variabilität, wie z.B. die Dürre, wirken sich auf die Wasserressourcen und insbesondere auf die wertvolle Grundwasserressource aus, die im Iran mehr als 80% des Wasserbedarfs aller Bereiche (Landwirtschaft, Haushalt und Industrie) ausmacht. Es ist von größter Bedeutung, Anpassungsstrategien zur Bewältigung dieser Probleme zu finden, um ein nachhaltiges Wasserressourcenmanagement sicherzustellen. In dieser Hinsicht sind physikalisch basierte hydrologische Modelle gekoppelt mit Grundwassermodellen und datengesteuerte, maschinelle Lernalgorithmen von Vorteil, um solche Arten von komplexen und dynamischen hydrologischen und hydrogeologischen Systemen gerecht zu werden, insbesondere als Reaktion auf anhaltende Klimaänderungen, wiederkehrende Dürren und zunehmendem Bevölkerungswachstum. Die hier verwendeten Methoden wurden auf drei Fallstudien im Iran angewendet und innerhalb sechs wissenschaftlichen Artikeln veröffentlicht, die zum Zeitpunkt der Erstellung dieser Arbeit veröffentlicht oder in Überarbeitung waren. (1) Zur Identifikation und Vorhersage der Ausbreitung meteorologischer Dürreperioden und der Auswirkungen auf den Grundwasserspeicher in der Garbaygan-Ebene im Südosten Irans wurden Z-Standardwerte als meteorologischer Trockenheitsindex in das Finite-Differenzen-Modell zur Berechnung der dreidimensionalen gesättigten Grundwasserströmung (MODFLOW) integriert. Die Ergebnisse zeigten, dass selbst unter sehr feuchten und normalen Szenarien (größer gleich Jahresdurchschnitt der Langzeitniederschläge) die Grundwasserbilanz stets ein Defizit aufweist, wobei die Übernutzung des Grundwassers der entscheidende Faktor ist. (2) Die Auswirkungen des Klimawandels auf den Grundwasservorrat wurde unter Verwendung eines Niederschlag-Abflussmodells, des sogenennaten „Identification of unit Hydrographs And Component flows from Rainfall, Evaporation and Streamflow data (IHACRAS)“ vorhergesagt und mithilfe von Rezessionskurven Abflussganglinien im Einzugsgebiet im Nordosten Irans analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der Abfluss sich im Vergleich zum Referenzzeitraum (1970-2010) für die vorgesehenen Zeiträume 2010-2039, 2040-2069 und 2070-2099, um 9, 44 und 66% verringert. Außerdem zeigen die Ergebnisse, dass der Grundwasservorrat sich gegenüber des Referenzzeitraums um 37, 52 bzw. 61% verringert. (3) Um die fehlende Werte der Standrohrspiegelhöhen (als eines der Kalibrierungsziele) für die Kalibrierung und Validierung des anschließend entwickelten gekoppelten hydrologischen Oberflächen-Grundwassermodells zu berechnen, wurden Grundwassergleichenpläne mit „Singular / Multichannel Spectrum“ (SSA / MSSA) im Gharehsoo River Basin (GRB) mit dem Ardabil-Grundwasserleiter im Nordwesten des Iran durchgeführt.Das Ergebnis zeigt, dass MSSA wegen stärkerer zeitlicher als auch der räumlichen Korrelationen gegenüber SSA geeigneter zur Erstellung der fehlenden Standrohrspiegelhöhen ist. Darüber hinaus wurden die in dieser Studie verwendeten „eigentriples“ als sinusförmig ermittelt, was mit den saisonalen Schwankungen der Standrohrspiegelhöhen durch Grundwasserneubildung und -abfluss korrespondiert. (4) Das Ziel dieser Studie war der Aufbau eines gekoppelten hydrologischen Oberflächen-Grundwassermodells mittels der neuesten Versionen von SWAT und MODFLOW-NWT (Newton-Raphson-Verfahren zur Verbesserung der Lösungen von Fragestellungen zur Strömung in ungespannten Grundwasserleitern), um die komplizierten und sporadischen Oberflächen-Grundwasser-Wechselwirkungen im GRB darzustellen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Grundwasserabfluss aus dem Grundwasserleiter in Richtung des Flussnetzes (effluente Bedingungen) der vorherrschende Prozess gegenüber dem Wasseraustausch vom Fluss in den Grundwasserleiter (influente Bedingungen) ist. Außerdem zeigen die Ergebnisse, dass die meisten Nebenflüsse im GRB von in den letzten Jahrzehnten ganzjährig wasserführend mit der Zeit in ephemere bzw. intermittierende Flüsse umgewandelt wurden. (5) Herunterskalierung und später vorhergesagte Tagesniederschläge unter drei „Represantative Concentration Pathways“ (RCPs), 2.6, 4.5 und 8.5 wurde durch die Entwicklung eines hybriden Modells erreicht, das künstliche neuronale Netze (KNN), diskrete Wavelet - Transformation (DWT) und eine Bias-Korrekturmethode (Quantile Mapping (QM)) beinhaltet. Das Ergebnis zeigt, dass das hybride Modell ANN-DWT-QM in der Lage ist die Niederschläge zufriedenstellend zu simulieren und nachzubearbeiten, was immer noch eine gewaltige Herausforderung auf dem Gebiet der Klimatologie / Meteorologie darstellt. (6) Das entwickelte und erprobte SWAT-MODFLOW-NWT-Modell wurde dann bis zum Jahr 2099 mit täglich vorhergesagte Minimal-, Maximaltemperaturen sowie Niederschlägen mit RCPs, 2.6, 4.5 und 8.5 getestet, um den Effekt verschiedener Klimaszenarien und Wasserentnahmebedingungen auf die verschiedenen Wasserkompartimente im GRB zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Grundwasserabfluss bzw. der Basisabfluss in Richtung der Flüsse stärker durch Klimaszenarien und Pumpbedingungen als durch die Grundwasserneubildung vom Flussnetzwerk zum Grundwasserleiter beeinflusst wird. Außerdem ergab die Untersuchung, dass im neben den Auswirkungen des Klimawandels die übermäßige Grundwasserentnahme ein Hauptgrund für den Verlust des Grundwasservorrats bzw. den Fall der Standrohrspiegelhöhen in diesem Grundwasserleiter ist. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse eine Verringerung des Wasserdargebots für April mit RCP 2.6 im Zeitraum 2041-2070. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das vorgeschlagene gekoppelte hydrologische Modell im Untergrund ein solides Ergebnis zur Simulation und Vorhersage der Wasserhaushaltskomponenten und insbesondere der Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen auf verschiedenen räumlich-zeitlichen Skalen zeigt. Darüber hinaus kann die vorgeschlagene Methodik für zukünftige Studien als ein beispielhafter Ansatz mit hoher Aussagekraft zur umfassenden Bewertung der Auswirkungen des Klimawandels auf die Wasserressourcen betrachtet werden.